工業行業源頭-過程-末端全過程減排潛力評估研究

孫園園， 白 璐， 張 玥， 喬 琦*

1.中國環境科學研究院， 國家環境保護生態工業重點實驗室， 北京 100012 2.同濟大學環境科學與工程學院， 上海 200092

我國經濟高質量發展過程中工業行業污染減排是需要跨越的一道重要關口[1]. 《第二次全國污染源普查公報》[2]顯示，大氣污染物排放仍以工業污染源為主，工業源二氧化硫、氮氧化物、顆粒物和揮發性有機物的排放量分別占全國總排放量的75.98%、36.18%、75.44%和47.34%. 工業行業污染減排對降低廢氣污染物排放總量、提高空氣質量至關重要.

污染減排潛力評估是分析污染源實施不同清潔生產和污染治理技術后，可獲得的污染物產生量和排放量的削減空間. 國內外常用的針對不同地區[3-4]、行業[5-10]和污染物種類[11-15]的減排潛力評估方法和模型有MARKAL模型[16-17]、LEAP模型[18-20]、AIM/Enduse 模型[21]、RAINS模型[22]、CGE模型[23-26]、LEAPChina模型[27]、AIM-EnduseChina模型[24]、ChinaGEM模型[28]等，這些模型和方法多以能源或產業結構調整為重點開展減排策略的制定，基于生產工藝的潛力評估方法較為鮮見，在行業減排時措施的精準性和針對性不足. 此外，目前的減排潛力評估也缺少將生產端(清潔生產潛力)和治理端(末端治理潛力)系統考慮的研究，清潔生產與末端治理之間的協同減排效應研究也較少[29-30]. 因此，亟需建立一套具體到生產工藝的全過程協同污染減排潛力評估模型.

污染物減排主要受政策和技術兩方面影響. 在政策方面，生態環境質量改善目標對污染物允許排放量提出限制性要求；在技術方面，污染物減排潛力與生產工藝的技術化水平、污染控制技術水平以及管理技術水平和效率等直接相關. 在制定減排技術途徑時需二者兼顧. 將自上而下與自下而上結合建模可以統籌兼顧宏觀的整體調控目標與微觀的技術明確性[31-37]. 該研究采用自上而下與自下而上結合的方式建模，其中，自上而下指從宏觀角度測算行業整體的減排潛力，通過與行業先進技術水平地區的整體比較分析得出；自下而上指從行業生產產品、工藝和原材料出發，從生產過程的微觀角度測算減排潛力.

該研究從生態環境質量改善目標下對污染減排的量化要求，以及區域和行業層面技術可行性的現實出發，建立了一套聚焦到具體減排控制環節的源頭-過程-末端全過程協同減排潛力評估模型(SPECM). 在充分考慮減排目標和不同生產工藝對污染物產排影響的前提下，以區域污染物目標減排量為主要約束，通過對工業污染源數據的進一步挖掘，利用各行業污染源的活動水平和產排污量信息，分析行業不同產品、原料、生產工藝和治理技術的應用及產排污現狀，采用潛力差值測算的方式逐一識別原材料替代、工藝升級、治理技術升級等方面存在的減排空間，篩選污染減排最具潛力和可行的生產工藝路線，以期為區域行業污染減排和轉型升級提供精準對策.

1 研究方法與數據

1.1 研究方法

與現有的減排潛力測算方法不同，該研究建立的SPECM模型從行業具體生產工藝出發，將行業減排轉化為生產工藝減排，充分利用了行業、生產工藝的污染物產生量，通過將清潔生產改造(源頭減排和過程減排)與末端減排協同，達到源頭-過程-末端全過程協同減排潛力測算的目的. 該SPECM模型主要包括3個模塊，分別為減排行業篩選模塊、產生排放特征分析模塊和減排潛力評估模塊(見圖1).

圖1 SPECM模型結構Fig.1 Structure diagram of SPECM model

1.1.1減排行業篩選模塊(mitigation industry sectors screening module，MISM)

MISM是基于情景分析通過自上而下的方式測算評估地區行業與標桿地區對應行業的潛力差值. MISM模塊包括確定標桿地區、減排行業類別識別和初步潛力差值測算3個部分： ①確定標桿地區. 標桿地區即為產業結構相似但產排污績效明顯優于所評價地區水平的區域. ②減排行業類別識別. 將目標減排地區所有行業分別按照排放量和排放強度進行分類，減排行業類別識別準則為，選取污染物排放量前Z%、污染物排放強度小于地區最大排放強度X%的行業作為減排行業(Ⅰ)；選取污染物排放量前Z%、污染物排放強度大于地區最大排放強度X%的行業作為減排行業(Ⅲ)；選取污染物排放量非前Z%、污染物排放強度大于地區最大排放強度X%的行業作為減排行業(Ⅱ)；其余行業為其他類.X值的選擇需使排放強度較大的行業不被劃分到其他類中.Z值的選擇需使排放量較大的行業劃分到減排行業(Ⅰ)和減排行業(Ⅲ)中.X將評估地區的工業行業劃分為當前需要著重控制的減排行業(Ⅰ)和減排行業(Ⅲ)、未來在環境準入方面需慎重考慮的減排行業(Ⅱ)，以及對減排貢獻很小的其他類. 在對地區行業減排潛力進行評估時，也可根據當地的減排需求[38-39]設定X和Z的值. ③初步潛力差值測算. 該模塊從行業整體出發，測算目標地區某行業與標桿地區對應行業減排潛力差值. 該步驟僅考慮目標地區減排行業與標桿地區該行業產排強度和去除率差值，使減排行業按標桿地區的生產現狀進行減排，未考慮減排成本、分擔原則和技術水平差異等情況，僅代表該行業的理論減排潛力. 該研究共測算了4種類型的潛力差值〔見式(1)～(4)〕，分別為清潔生產潛力差值(cleaner production project，CPP)、末端減排潛力差值(end-of-pipe project，EPP)、標桿模式潛力差值(benchmarking mode project，BMP)和協同減排潛力差值(collaborative project，CP).

CPPi=GVi×ΔIGi×(1-ηi0)

(1)

EPPi=-PGi×Δηi

(2)

BMPi=GVi×ΔIOi

(3)

CPi=GVi×IGi2×(1-ηi2)-POi

(4)

式中：i為國民經濟行業分類代碼中的小類行業；CPPi為行業i的清潔生產潛力差值，t；GVi為行業i的工業總產值，109元；ΔIGi為行業i減排后與當前的產污強度差值，t/(109元)；ηi0為行業i當前的污染物實際去除率，%；EPPi為行業i的末端減排潛力差值，t；PGi為行業i的污染物產生量，t；Δηi為行業i減排前后的污染物實際去除率差值，%；BMPi為行業i的標桿模式潛力差值，t；ΔIOi為行業i減排后與當前的污染物排放強度差值，t/(109元)；CPi為行業i的協同減排潛力差值，t；IGi2為標桿地區行業i的產污強度，t/(109元)；ηi2為標桿地區行業i的污染物實際去除率，%；POi為行業i的污染物排放量，t.

1.1.2產生排放特征分析模塊(generation and emission characteristic analysis module，GECAM)

GECAM模塊包括識別減排小類行業主要產污產品-原料-工藝技術組合以及末端治理技術情況. 小類行業指《國民經濟行業分類》中四級代碼行業，相比大類行業其產品和工藝的同質性更強.

工業行業的生產工藝較多，但主要產生污染物的產品-原料-工藝比較集中. 該模塊對行業污染物產生量前85%的生產工藝進行識別.

末端治理技術情況識別主要包括行業實際去除率和末端治理技術應用情況的識別. 行業實際去除率直接用行業的污染物產生、排放量進行測算. 末端治理技術應用情況采用第k種末端治理技術的企業數量占比表示.

污染物的實際去除率為治理設施去除率(η)與設備運行率(K)的乘積.K值的大小直接影響治理設施對污染物的實際去除率. 當K值范圍為[0.8, 1]時，說明治理設施的運行狀態良好，末端治理的關鍵是提高治理技術的去除率；當K值范圍為[0, 0.6]時，說明末端減排的關鍵是加強管理監督，需保證治理設施的良好運行.

1.1.3減排潛力評估模塊(emission reduction potential evaluation module，ERPEM)

ERPEM模塊是通過自下而上的方式測算行業的主要產污工藝和末端治理情況與標桿地區對應工藝技術的差值. 該模塊從減排行業的產品、工藝、原料及末端治理情況出發，定量識別源頭、過程、末端的減排潛力，通過窮舉算法測算減排行業的源頭-過程-末端全過程協同減排潛力及減排潛力系數. 該研究中源頭減排包括原輔料的替代；過程減排包括工藝過程升級，主要涉及產品生產工藝過程的改造(包括溫度控制、生產自動化程度和物料混合方式等)、工人操作技術優化及車間過程管理等；末端減排包括采用去除率較高的技術代替直排及去除率較低的技術. 減排潛力系數(Ccrp)指為實現某個減排目標時，通過源頭減排、過程減排和末端減排3種對策協同減排時每種對策的排放量削減程度.

污染物排放量數據一般來源于監測法和系數法[40-41]. 自下而上減排潛力測算的目標函數：

MinΔP=αΔPGs+βΔPGp+γΔPGe

(5)

MinΔIGi=IGit-IGi0

(6)

MaxΔηi=ηik-ηi0

(7)

(8)

(9)

(10)

約束條件：

(11)

0≤α≤100%

(12)

0≤β≤100%

(13)

0≤γ≤100%

(14)

式中：ΔP為減排前后的污染物排放量差值，t；α為源頭減排潛力系數；β為過程減排潛力系數；γ為末端減排潛力系數；ΔPGs為源頭減排潛力，t；ΔPGp為過程減排潛力，t；ΔPGe為末端減排潛力，t；n為評估地區減排行業總數；m為行業i主要的產污產品-原料-工藝總數；ΔIGi為行業i減排前后的產污強度差值，t/(109元)；IGit為行業i減排后的產污強度，t/(109元)；IGi0為行業i當前的產污強度，t/(109元)；ηik為行業i第k種末端治理技術的實際去除率，%； ΔIGijp為行業i第j種產品-原料-工藝過程減排前后的產污強度差值，t/(109元)；ΔIGijs為行業i的第j種產品-原料-工藝源頭減排前后的產污強度差值，t/(109元)；PGit為行業i經過程減排和源頭減排后的污染物產生量，t；POit為減排后行業i的污染物排放量，t；POA為評估地區污染物的允許排放量，t.

通過窮舉算法測算減排行業源頭-過程-末端全過程協同減排潛力及減排潛力系數. 窮舉算法的原理是從所有可能的解中篩選出符合目標值的對象，其優點在于簡單直接，但通常為了提升運算效率，可以通過對研究對象實際狀況評估，合理劃定解集范圍.Ccrp的測算精度為[0,100%]內的整數. 依據評估地區對工業行業源頭替代率、末端廢氣收集率的要求[42]，進一步約束α、β和γ的取值范圍，實現對減排潛力和減排方案的優選.

1.2 研究區域概況

選擇廣東省佛山市順德區為研究區域，以污染物VOCs為主要對象，對提出的污染減排潛力評估方法進行實證研究. 2017年，佛山市順德區工業源VOCs排放量占全市工業源排放總量的38.42%. 佛山市順德區企業存在規模小、數量多、聚集度高等特點，同時八大支柱產業包括家用廚房電器具制造業，塑料零件及其他塑料制品制造行業，電線、電纜制造行業，塑料人造革、合成革制造行業，塑料板、管、型材制造行業，木制家具制造業，金屬家具制造業，涂料制造行業和化學藥品原料藥品制造行業是VOCs產排量較大的重點行業. “十四五”期間佛山市順德區的VOCs減排壓力大、任務重，是廣東省VOCs減排的重點地區.

1.3 數據來源

該研究所用數據來源于廣東省佛山市順德區生態環境統計數據和部分調研數據.

2 結果與討論

2.1 基于情景分析自上而下測算行業減排潛力

根據標桿地區的確定原則，選擇工業產業結構與佛山市順德區相似且清潔生產水平較高的深圳市作為順德區VOCs減排的標桿地區.

通過分析順德區VOCs減排行業的排放強度和排放量占比情況，Z值和X值分別為75%和2%，減排行業分類情況如圖2所示. 減排行業(Ⅰ)包括木制家具制造業(2110)，塑料板、管、型材制造業(2922)，塑料零件及其他塑料制品制造業(2929)，電線、電纜制造業(3831)，金屬家具制造業(2130)，涂料制造(2641)，其他未列明金屬制品制造業(3399)以及家用廚房電器具制造業(3854)，這些行業VOCs排放總量超過順德區排放總量的70.0%；減排行業(Ⅱ)包括其他機織服裝制造(1819)，塑料人造革、合成革制造(2925)，電梯、自動扶梯及升降機制造(3435)，電子專用材料制造(3985)，繪圖、計算及測量儀器制造(4013)，建筑用木料及木材組件加工(2031)，化學藥品原料藥品制造(2710)，金屬工藝品制造(2432)，紡織面料鞋制造(1951)以及油墨及類似產品制造(2642)，這些行業VOCs排放強度較高，清潔生產水平較差；減排行業(Ⅲ)包括泡沫塑料制造業(2924)；其余行業為其他類，由于其對順德區VOCs減排貢獻量極小，故暫不對其進行減排.

圖2 順德區VOCs減排行業VOCs排放情況Fig.2 The VOCs emission of VOCs emission reduction industry sectors in Shunde District

根據式(1)～(4)測算減排行業(Ⅰ)、減排行業(Ⅱ)和減排行業(Ⅲ)的減排潛力差值(見圖3)，結果表明，減排行業(Ⅰ)和減排行業(Ⅲ)的減排潛力均較大，而減排行業(Ⅱ)減排潛力較小.

圖3 不同測算模式下各行業減排潛力占順德區VOCs排放總量的比例Fig.3 The ratio of the emission reduction potential under different calculation modes to the total VOCs emission in Shunde District

2.2 VOCs產排污工藝識別

2.2.1產污工藝識別

由表1可見，各行業主要VOCs產污工藝較為集中，對主要產排污工藝進行改造和治理，可快速實現行業污染減排要求. 以木質家具制造行業為例，用溶劑型涂料對實木家具和人造板家具進行噴漆和流平/烘干/晾干的VOCs產生量分別占整個行業產生總量的66.51%和28.88%，通過控制這兩種生產工藝，可控制行業90%以上的VOCs產生量.

表1 減排行業(Ⅰ)和減排行業(Ⅲ)的主要產污工藝

2.2.2行業VOCs末端處理情況剖析

佛山市順德區K值在0.8以上的企業占比為98.25%，設備運行狀態優于標桿地區(見圖4). 然而，順德區末端治理技術的平均去除率低于標桿地區，說明標桿地區普遍采用了更高效的末端治理技術. 減排行業(Ⅰ)和減排行業(Ⅲ)中其他未列明金屬制品制造行業，電線、電纜制造行業以及家用廚房電器具制造行業的治理設施運行狀況略差于順德區，其余各行業K值分布與順德區整體情況一致.

2.3 自下而上減排潛力及減排潛力系數測算

由圖5可見，以木質家具制造行業為例，順德區VOCs直接排放的企業占比為11.62%，實際去除率較高的末端治理技術的普及率較低，而標桿地區普遍采用平均去除率較高的VOCs治理技術. 提高實際去除率較高的末端治理技術的應用率，將會產生可觀的末端減排潛力.

注： 未填寫指調研時部分企業未填報K值，導致數據缺失.圖4 順德區和標桿地區VOCs末端治理 設備運行情況對比Fig.4 Comparison of the operation of VOCs terminal treatment equipment in Shunde District and Shenzhen

圖5 木質家具制造業末端治理情況Fig.5 End of pipe of wooden furniture manufacturing industry sector

2.3.1自下而上減排潛力測算

基于行業產排污工藝分別測算源頭、過程、末端的減排潛力以及源頭-過程-末端全過程協同減排潛力(見圖6). 順德區生產工藝的產污強度較高、清潔原料的使用量較低，與標桿地區相比，具有明顯的源頭減排潛力和過程減排潛力. 由于源頭和過程減排降低了VOCs的產生量，因此末端減排潛力較低.

圖6中僅顯示了幾組特殊情況下的協同減排潛力，當減排潛力系數α、β和γ均為20%時，協同減排潛力達12.94%，達到順德區減排7%的要求；當減排潛力系數α、β和γ均為100%時，源頭-過程-末端全過程協同減排潛力最高,達到當前實際排放量的71.23%. 因源頭、過程和末端減排潛力互相牽制，該研究利用python求解減排目標下的減排潛力系數解集，明確減排潛力目標在源頭、過程和末端的分配，經計算共獲得1.8×104組可行解.

圖6 順德區源頭、過程、末端以及源頭-過程-末端協同減排潛力Fig.6 The source, process, end, and source-process-end cordinated emission reduction potentials of Shunde District

2.3.2全過程協同減排潛力系數測算及優化

根據廣東省涉工業涂裝行業VOCs減排要求，以源頭(高固含量涂料或漆料等)替代率不低于30%推進水性原料使用，加強過程減排，末端廢氣收集率不低于80%[42]. 該研究源頭減排潛力是以水性原料替代為基準測算出的最大值，由于水性原料的產污強度較低，因此減排潛力系數難以達到最大值. 根據當前順德區的原材料使用情況，建議源頭減排潛力系數取值范圍為0～50%. 根據各行業不同的生產情況，過程減排的減排潛力系數范圍較大，為0～90%. 目前，順德區末端處理技術的使用率較高，但仍存在直排情況，該研究測算的末端減排潛力是從進一步降低直排率出發，測算了使用處理效率較高的技術處理直排部分帶來的減排潛力，暫時未對處理效率較低的技術進行替換，因此該研究末端減排強度較低，建議末端減排潛力系數范圍為60%～100%.

將α、β和γ的取值范圍進一步約束后，當順德區VOCs減排目標為7%～8%時，測算精度為兩位小數的減排潛力系數(Ccrp)的可取解共6 734組. 根據順德區的生產情況和減排潛力系數的測算結果，具有源頭減排潛力的木質家具制造、泡沫塑料制造和家用廚房電器具制造行業的源頭減排潛力系數取值范圍為8%～13%，過程和末端減排潛力系數分別取20%～50%和60%～100%，共265組可選方案. 其他僅具有過程和末端減排潛力的行業，其過程和末端減排潛力系數分別選取40%～80%和70%～100%，共2 230 組可選方案. 該研究未考慮行業對減排程度的耐受性，即在不改變行業產品結構約束下的最大減排程度；也沒有考慮減排的技術經濟性，當加入耐受性和技術經濟性指標后，可選減排方案的數量將進一步縮減，下一步將加強該方面的研究.

3 結論及建議

a) 該研究以清潔生產水平較高的深圳市作為佛山市順德區的VOCs減排標桿地區，對比核算出順德區VOCs源頭減排潛力較大. 塑料材料加工制造及涂裝件的噴涂、干燥等環節的VOCs減排方向為采用原輔材料替代升級和更清潔化的加工工藝. 工藝過程產污強度差距較大也是導致地區間產排污績效差異的主要原因，如噴漆、化學聚合、造粒等生產環節，減排方向為優化生產工藝過程，強化無組織排放管理，以及提高工藝過程密閉性、自動化.

b) 減排目標下，減排潛力系數解集的優化需結合評價區域行業的實際生產狀況與末端治理情況，不同行業具有不同的減排潛力系數優化解集. 然而，要獲得最佳的減排潛力系數解集，需進一步對減排方案進行技術經濟性分析.

c) 污染減排潛力評估涉及多方面的理論、方法和技術，該研究探討了源頭-過程-末端全過程協同減排潛力的評估，未涉及產業結構調整的減排潛力，同時對源頭-過程-末端全過程協同減排的費效關系關注較少. 技術經濟性在污染減排中至關重要，為獲得兼顧技術可行性和經濟性的減排方案，源頭-過程-末端全過程協同減排技術經濟性的研究正在開展. 此外，實際應用中常涉及多種污染物的協同減排，因此針對多種污染物協同減排潛力評估方法、協同減排的費效關系以及協同減排程度邊界確定等方面還需要進一步的完善和研究.